小口徑非球面碳化鎢模具的磁場輔助拋光工藝

申冰怡，王振忠

(廈門大學航空航天學院，福建 廈門 361102)

近年來在CCD攝像鏡頭、智能手機、顯微鏡、醫療器械等領域，小口徑非球面光學透鏡有著廣闊的應用范圍和巨大的市場潛力.非球面透鏡的光學折射效果優良，能夠有效矯正影像畸變和消除彗星像差，提高成像質量和系統分辨率，還可以簡化儀器結構，減輕儀器重量，降低生產成本[1].模壓成形技術是常見的小口徑非球面光學透鏡制造技術之一，一般模具要有較高的表面精度，在高溫條件下依舊可以保持高硬度、高強度、高穩定性和高耐氧化性的特性[2].光學模壓模具的基材主要使用碳化鎢(WC)、碳化硅(SiC)與氮化硅(Si3N4)等非金屬材料以及鍍以合金膜層的金屬陶瓷，屬于硬脆性材料，加工難度較大[3].實際生產中，先使用超精密磨削或車削將基材加工成復雜的非球面工件[4]，材料表面易發生塑性形變和脆性斷裂[5].為提高非球面工件的表面質量，還需進一步采用柔性的方式拋光工件.

目前，針對非球面的拋光技術主要有計算機控制光學表面成型、離子束、磨料水射流、磁流變、氣囊拋光和復合拋光方式等.使用計算機控制小磨盤拋光常用于大口徑非球面鏡，葉楓菲等[6]采用直徑為15 mm的磨盤拋光K9平面鏡，實際加工與仿真的面形誤差在17%以內.離子束拋光的去除函數穩定性高且沒有邊緣效應，唐瓦等[7]使用離子束拋光直徑為1 450 mm的離軸非球面，表面粗糙度在30 h的加工后由50.192 nm下降到8.785 nm，拋光效果理想，但離子束設備使用成本較高.磨料水射流拋光適合于各種復雜曲面但加工效率低，Wang等[8]研制了一種新型的多射流拋光工藝，在極大提高拋光效率的同時達到了與傳統射流相同的拋光效果，使用五射流工具拋光BK7玻璃可以獲得9.831 nm的表面粗糙度.磁流變拋光能夠有效消除亞表面損傷，尹韶輝等[9]提出了一種針對小口徑非球面的斜軸磁流變拋光技術，可以使直徑6 mm的單晶硅非球面表面粗糙度由10.3 nm降至3.2 nm.氣囊拋光為一種柔性接觸加工技術，適合于大中型復雜曲面的拋光，王云飛等[10 ]對直徑為30 mm的BK7軸對稱非球面鏡加工后獲得了3.239 μm的PV(peak to valley,面形精度指標之一)值.考慮到精度、成本和效率，這些技術較少用于小口徑非球面模具的批量生產.國內在小口徑非球面模具的拋光上仍依賴手工拋光，對操作工人的技術水平要求高，加工質量不穩定且耗時耗力.本文利用磁場的輔助作用，探究了一種針對小口徑非球面碳化鎢模具的便捷有效的拋光方式，以期獲得高面形精度、低表面粗糙度、高加工效率和低成本.

1 試驗原理

本文采用直徑為18 mm、深度約0.5 mm的非球凹面回轉對稱的碳化鎢模具進行試驗，模具實體如圖1(a)所示.磁場輔助拋光的原理是利用外加磁場中磁性拋光液凝聚成的鏈狀結構與工件表面接觸，在磁場作用力和較小的壓力作用下，通過相對運動去除工件表面的多余材料，從而實現修形和拋光，拋光示意圖如圖1(b)所示.該原理與傳統光學機械研拋類似，符合Preston假設.該假設將宏觀上的研拋材料去除速率描述成如下的線性方程：

(1)

式中：K是比例常數，也是Preston系數，在拋光狀態中，由速度和壓力以外的其他環境因素決定；v是表面某點處的瞬時研拋相對速度；p是表面某點處的研拋壓力，z是拋光區域的材料去除量，t是拋光時間.

圖1 非球面碳化鎢模具(a)和磁場輔助拋光示意圖(b)Fig.1 Aspheric tungsten carbide mould (a) and diagram of magnetic field assisted polishing (b)

2 試驗材料及裝置

試驗所用到的釹鐵硼圓柱永磁體直徑為8 mm，厚度為10 mm，牌號為N35.磁性拋光液在磁流變拋光液的基礎上進行改造，由磁性顆粒、拋光顆粒、α-纖維素以及磁流變基液這4種成分按一定比例配置而成[11].磁性顆粒選用平均粒徑為3～5 μm的羰基鐵粉，拋光顆粒選擇了多種規格的金剛石微粉.配置后的拋光液如圖2所示.

本研究使用的試驗裝置為自主研制的四軸數控(computer numerical control,CNC)拋光機床，如圖3所示.裝有磁鐵的工具頭附著有磁性拋光液，通過刀柄和筒夾安裝在機床上，可以實現主軸的旋轉以及X、Y、Z軸的進給移動.

圖2 常態(a)和磁場(b)下的拋光液形態Fig.2 Morphologies of polishing fluid under normal (a) and magnetic field (b) conditions

圖3 四軸CNC機床Fig.3 Four-axis CNC machine tool

3 拋光試驗與結果分析

3.1 金剛石微粉粒度對拋光效果的影響

不同粒度的金剛石微粉對材料去除效率和工件拋光后所能達到的表面粗糙度影響很大，較大粒度的金剛石微粉難以獲得預期的表面粗糙度，因而本研究選擇了1 500，3 000，8 000，15 000和80 000目的金剛石微粉，粒度分別為7.0，3.5，1.0，0.4和0.2 μm.拋光液配比按羰基鐵粉61.7%、金剛石微粉7.0%、α-纖維素3.3%、磁流變基液28.0%的質量分數進行配制.加工參數選擇轉速600 r/min、加工間隙1 mm、拋光時間30 min、工具大小12 mm.考慮到碳化鎢模具成本高，選擇金剛石砂輪磨削后的碳化鎢板(尺寸50 mm×50 mm×3 mm)作為定點拋光試驗對象.試驗前，使用輪廓儀(Form Talysurf PGI 1240)檢測碳化鎢板的面形PV值、表面波紋度指標Wv(最大輪廓谷深)、表面粗糙度指標Ra(輪廓算術平均偏差)，并使用超景深顯微鏡(基恩士VHX-5000)對表面樣貌進行拍照記錄.然后進行定點拋光試驗，每組試驗拋光30 min，每15 min 更換一次拋光液.試驗完成后，再使用以上檢測方法測量碳化鎢板表面狀況，將測試結果與拋光前的表面形貌參數對比，如表1所示.圖4為1 500 目金剛石微粉拋光前后表面樣貌的對比圖，圖5為顯微鏡3D拼接的表面樣貌輪廓對比圖.

表1 不同金剛石微粉粒度的拋光結果Tab.1 Polishing results of different sizes of diamond powder particle

圖4 1 500目金剛石微粉拋光前(a)后(b)表面樣貌的對比Fig.4 Comparison of the surface appearance before (a) and after (b) 1 500 mesh diamond powder polishing

圖5 拋光前(a)后(b)3D拼接的表面樣貌輪廓的對比圖Fig.5 Contrast drawing of the surface profile spliced in 3D before (a) and after (b) polishing

由表1中的數據可知，1 500目的金剛石微粉拋光效率最高，在30 min內去除的工件材料最多，粗糙度和波紋度的變化量也最大.對于其他規格的金剛石微粉，隨著目數的上升，微粉粒度減小，相同拋光時間內，PV、Ra和Wv的變化量不斷減少，且在納米量級，說明去除效率隨著目數的增大逐漸降低，且30 min加工時長內的材料去除厚度在納米量級.圖4中給出了500倍顯微鏡下，1 500目金剛石微粉拋光前后工件的表面樣貌，可以看到殘余刀紋明顯變淺；而從圖5中可以看出，碳化鎢板表面高度差距由3.5 μm縮小到2.5 μm，這說明工件面形精度在微米量級，30 min內材料去除厚度在亞微米量級的1 500目金剛石微粉更適合.因此選擇1 500目的金剛石微粉進行后續的試驗.

3.2 拋光液成分配比對拋光效果的影響

拋光液的成分配比影響其流變性、穩定性和黏度，最終影響拋光效果，因此成分配比是制備拋光液中極其重要的一環.本試驗將對拋光液的6種成分配比進行對比試驗，配比方案如表2所示.

試驗使用1 500目的金剛石微粉，各成分通過精密天平稱量.依舊選用3.1節的工藝參數對碳化鎢板進行定點拋光試驗.試驗前后的工件面形PV值、Ra和Wv的變化量如表2所示.

可以看出，其他條件不變時，隨著金剛石微粉含量增加、羰基鐵粉含量減少(M1～M4)，面形PV的變化量即材料的去除量先增大后減小.金剛石微粉是實現材料去除的關鍵物質，增加金剛石微粉會增強拋光體的去除能力.但羰基鐵粉含量過低時，永磁體對整個拋光液的吸引力減小，不利于拋光體狀態的保持，容易脫落且拋光壓力也會變小.由Preston方程可知，拋光壓力減小會導致材料去除量減少.另外，由于金剛石微粉的密度比羰基鐵粉小得多，增加的金剛石微粉的體積比減少相同質量的羰基鐵粉體積大，在相同質量基液的情況下，金剛石微粉含量高的拋光液更黏稠，更容易粘在碳化鎢板表面，影響拋光效果.對比M2、M5、M6，可以發現，其他條件不變時，隨著α-纖維素含量的增加和羰基鐵粉含量的減少，材料去除量也是先增大后減小.雖然α-纖維素能夠避免磁性顆粒在拋光液中聚合和沉降，可以增強拋光體的耐用性，但過多的α-纖維素降低了羰基鐵粉的含量，其密度遠小于羰基鐵粉，同樣不利于拋光效果的穩定，導致材料去除量減少.

表2 不同拋光液成分配比下的測試結果Tab.2 Test results of polishing fluid with different composition ratio

粗糙度和波紋度變化量的變化趨勢與面形PV變化量的相同.當使用M3配方時，PV變化量達到最大值，即材料去除量達到最大值.使用M2配方時，粗糙度和波紋度的變化量達到最大值.

3.3 磁場輔助拋光工藝參數的正交試驗

與其他拋光技術類似，磁場輔助拋光的效果也會受到各種工藝參數的影響.實驗前，首先對碳化鎢模具(下文的工件均是指碳化鎢模具)的初始輪廓進行測量，獲得如圖6(a)所示的輪廓曲線.然后使用輪廓儀自帶的非球面分析軟件獲得工件實測參數與標準非球面的面形誤差值，如圖6(b) 所示，其中輪廓誤差的最大值為3.578 7 μm.標準非球面參數詳見表3.分別在距離回轉中心3，6和9 mm 處取一點測量粗糙度用于估計工件表面總體的粗糙度情況，3處的Ra分別為10.3，13.4和19.8 nm，通過比較可以看出，越靠近回轉中心，工件表面粗糙度越小，總體在10～20 nm之間.使用基恩士顯微鏡對工件表面樣貌進行檢測，圖7(a)是200倍鏡下模具整體的樣貌，模具表面環形刀紋明顯，有少許劃傷痕跡.圖7(b)是500倍鏡放大的表面刀紋，刀紋規則.由此可見，非球面碳化鎢模具表面精度已經較高，與標準非球面的誤差也很小，實際需要去除的表面材料很少，但是表面粗糙度和波紋度都需較大改善，考慮到加工效率，所以選擇M2的配方(金剛石微粉7.0%、羰基鐵粉61.7%、磁流變基液28.0%、α-纖維素3.3%)作為拋光非球面碳化鎢模具的最佳配方.

影響磁場輔助拋光方式的工藝參數主要有工具大小(直徑)、加工間隙、拋光時間和主軸轉速，為考察其對材料去除量和粗糙度的影響，每個因素選取3個水平，不考慮因素間的相互作用，按照表4進行正交試驗.

圖6 碳化鎢模具的初始輪廓(a)和實測與標準的面形誤差曲線(b)Fig.6 Initial outline (a) and measured and standard surface error curve (b) of the tungsten carbide mould

表3 碳化鎢模具的標準非球面參數

圖7 200倍鏡下模具的整體樣貌(a)和500倍鏡 放大的表面刀紋(b)Fig.7 The overall appearance of the mould under 200× lens (a) and surface tool marks magnified by 500× lens (b)

拋光體成分配比采用M2配方，根據工件實測與標準的誤差特點確立拋光路徑：每組試驗的前半部分時間以回轉對稱中心為固定點進行定點拋光，后半部分時間圍繞回轉對稱中心以1 mm為半徑移動一個環形軌跡，中間更換一次拋光液.正交試驗方案設計、試驗結果及初步分析如表5所示.

表4 各因素及水平表Tab.4 Factors and levels

表5 L9(34)正交試驗表及試驗結果分析Tab.5 Analysis of L9(34) orthogonal table and experimental results

由表5可知，影響磁場輔助拋光材料去除量的工藝參數從主到次的順序為：D(主軸轉速)>B(加工間隙)>C(拋光時間)>A(工具大小)，本實驗的最優方案為A1B2C3D3.

從表5可知，主軸轉速越大，材料去除量越大，這是由于當壓力不變時，材料的去除效果與相對速度成正比.同理，當相對速度不變時，材料的去除效果與壓力也是成正比的.加工間隙與壓力成反比，加工間隙越大，工件受到的壓力越小，材料的去除量就會減少.但是加工間隙過小會使柔性鏈狀結構被擠壓甚至擠出工具端面，無法跟隨工具轉動正常加工.因此加工間隙為1.5 mm時，材料去除效果較好.

拋光時間的增加必然會導致材料去除量的增加，但長時間拋光中仍然只更換一次拋光液，單次使用拋光液的時間增長，基液的揮發使拋光液變粘稠，容易粘在工件表面，永磁體的吸引力不足以帶動拋光體完全按照主軸轉速旋轉加工，相對速度會下降，去除效率就會降低.因此，雖然在45 min時材料去除量最大，但與拋光30 min相比，其增幅減少.

工具大小會影響加工面積區域，直徑越大的工具上的最大線速度也會越大，更有利于材料的去除.在其他參數不變的情況下，工具直徑與所能達到的最大線速度成正比，故而與面形PV變化量也成正比.

使用最優方案拋光，工件輪廓與標準非球面方程的誤差值明顯縮小，由3.578 7 μm減小到2.186 5 μm，拋光后的面形誤差曲線如圖8所示，其中長度內輪廓峰頂線和輪廓谷底線之間的距離為2.186 5 μm，Ra為0.554 9 μm.表面粗糙度也有很大改善，3處檢測點的Ra由10.3，13.4和19.8 nm分別降至3.2，6.1和17.4 nm，距離回轉中心越近，改善越明顯，這不僅與3個檢測點的原始粗糙度和面形精度有關，還與加工路徑有關.按照加工路徑，回轉對稱中心附近區域的拋光駐留時間比外圍部分更長.在拋光前后，使用500倍顯微鏡對同一區域的表面樣貌進行觀察，從圖9中可以看出刀紋痕跡明顯變淺甚至消失.

圖8 拋光后的實測輪廓與標準面形間的誤差Fig.8 Error between the measured profile after polishing and the standard surface

圖9 拋光前(a)后(b)的表面樣貌對比圖Fig.9 Comparation of the surface appearance before (a) and after (b) polishing

4 結 論

本研究采用1 500目的金剛石微粉配制拋光液，并篩選出穩定性好、能夠有效去除材料的拋光液成分配比為金剛石微粉7.0%、羰基鐵粉61.7%、磁流變基液28.0%、α-纖維素3.3%；利用正交試驗獲取了磁場輔助拋光的工藝參數的優方案為主軸轉速750 r/min，加工間隙1.5 mm，拋光時間45 min，拋光工具直徑16 mm，使用以上工藝參數可以獲得的最低表面粗糙度為3.2 nm；并分析了不同工藝參數對拋光效果的影響規律，為采用磁場輔助拋光加工其他工件提供了一定的參考意義.

在實際拋光過程中，黏度較高的拋光液容易粘在工件表面，影響拋光效果.下一步研究可以將配比試驗的梯度細化，選出更好的成分配比，或嘗試其他材料.此外，可以根據拋光路徑做駐留加工時間的仿真.計算拋光體在工件表面各處的加工時間有利于優化拋光路徑，針對性地去除表面材料，提高拋光效率.